和通过对比熟悉8253和8254和8255芯片的基本功能结构工作方式及其工作原理.docx
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和通过对比熟悉8253和8254和8255芯片的基本功能结构工作方式及其工作原理
微型计算机原理与接口技术实验报告
指导教师:
姓名:
学号:
班级:
一:
实验时间:
2014年11月25
二:
实验地点:
2601号机房
三:
实验名称:
认识8253/8254和8255芯片
四:
实验目的:
通过对比,熟悉8253/8254和8255芯片的基本功能结构、工作方式及其工作原理。
五:
实验内容及步骤:
(一)8253/8254和8255芯片的基本功能结构
(1)8253芯片的基本功能结构:
8253芯片有24条引脚,封装在双列直插式陶瓷管壳内。
下图为:
可编程定时器8253内部结构框图
.8253的引脚功能:
D0~D7:
8位数据线,用来传送控制字和计数初值
CS*片选信号,低电平有效。
该信号有效说明系统选中该芯片,此时,CPU可以对本片8253进行读/写操作。
RD*读信号,低电平有效。
该信号有效时,表示CPU正在对8253的一个计数器进行读当前计数值的操作。
WR*写信号,低电平有效。
该信号有效时,表示CPU正在向8253的控制寄存器写入控制字或者向一个计数器写入计数初值。
A1~A0:
是用来对3个计数器通道和控制寄存器进行寻址的引脚,由A1和A0的四种编码来选择四个端口之一。
(2)8254芯片的基本功能结构
8254芯片主要由四部分组成:
数据总线缓冲器
数据总线缓冲器是一个三态、双向8位寄存器主要作用是与cpu进行数据交换,8位数据线D7~D0与CPU的系统数据总线连接,构成CPU和8254之间信息传送的通道,CPU通过数据总线缓冲器向8254写入控制命令、计数初始值或读取计数值。
读写逻辑
读写逻辑是芯片的控制部分,编程人员通过控制信号的选择来选择芯片的工作方式。
读/写控制逻辑用来接收CPU系统总线的读、写控制信号和端口选择信号,用于控制8254内部寄存器的读/写操作。
控制字寄存器
控制寄存器是一个只能写不能读的8位寄存器,系统通过指令将控制字写入控制寄存器,设定8254的不同工作方式。
计数器
8254内部有三个结构完全相同而又相互独立的16位减“1”计数器,每个计数器有六种工作方式,各自可按照编程设定的方式工作。
(3)8255芯片的基本功能结构
8255作为主机与外设的连接芯片,必须提供与主机相连的3个总线接口,即数据线、地址线、控制线接口。
同时必须具有与外设连接的接口A、B、C口。
由于8255可编程,所以必须具有逻辑控制部分,因而8255内部结构分为3个部分:
与CPU连接部分、与外设连接部分、控制部分。
1)与CPU连接部分
根据定义,8255能并行传送8位数据,所以其数据线为8根D0~D7。
由于8255具有3个通道A、B、C,所以只要两根地址线就能寻址A、B、C口及控制寄存器,故地址线为两根A0~A1。
此外CPU要对8255进行读、写与片选操作,所以控制线为片选、复位、读、写信号。
各信号的引脚编号如下:
(1)数据总线DB:
编号为D0~D7,用于8255与CPU传送8位数据。
(2)地址总线AB:
编号为A0~A1,用于选择A、B、C口与控制寄存器。
(3)控制总线CB:
片选信号、复位信号RST、写信号、读信号。
当CPU要对8255进行读、写操作时,必须先向8255发片选信号选中8255芯片,然后发读信号或写信号对8255进行读或写数据的操作。
2)与外设接口部分
根据定义,8255有3个通道A、B、C与外设连接,每个通道又有8根线与外设连接,所以8255可以用24根线与外设连接,若进行开关量控制,则8255可同时控制24路开关。
各通道的引脚编号如下:
(1)A口:
编号为PA0~PA7,用于8255向外设输入输出8位并行数据。
(2)B口:
编号为PB0~PB7,用于8255向外设输入输出8位并行数据。
(3)C口:
编号为PC0~PC7,用于8255向外设输入输出8位并行数据,当8255工作于应答I/O方式时,C口用于应答信号的通信。
3)控制器部分
8255将3个通道分为两组,即PA0~PA7与PC4~PC7组成A组,PB0~PB7与PC0~PC3组成B组。
如图7.5所示,相应的控制器也分为A组控制器与B组控制器,各组控制器的作用如下:
(1)A组控制器:
控制A口与上C口的输入与输出。
(2)B组控制器:
控制B口与下C口的输入与输出。
(二)8253/8254和8255芯片的工作方式
(1)8253芯片的工作方式
8253的通道工作方式
8253中各通道可有6种可供选择的工作方式,以完成定时、计数或脉冲发生器等多种功能。
8253的各种工作方式如下:
1.方式0:
计数结束则中断
工作方式0被称为计数结束中断方式。
当任一通道被定义为工作方式0时,OUTi输出为低电平;若门控信号GATE为高电平,当CPU利用输出指令向该通道写入计数值WR#有效时,OUTi仍保持低电平,然后计数器开始减“1”计数,直到计数值为“0”,此刻OUTi将输出由低电平向高电平跳变,可用它向CPU发出中断请求,OUTi端输出的高电平一直维持到下次再写入计数值为止。
在工作方式0情况下,门控信号GATE用来控制减“1”计数操作是否进行。
当GATE=1时,允许减“1”计数;GATE=0时,禁止减“1”计数;计数值将保持GATE有效时的数值不变,待GATE重新有效后,减“1”计数继续进行。
显然,利用工作方式0既可完成计数功能,也可完成定时功能。
当用作计数器时,应将要求计数的次数预置到计数器中,将要求计数的事件以脉冲方式从CLKi端输入,由它对计数器进行减“1”计数,直到计数值为0,此刻OUTi输出正跳变,表示计数次数到。
当用作定时器时,应把根据要求定时的时间和CLKi的周期计算出定时系数,预置到计数器中。
从CLKi,输入的应是一定频率的时钟脉冲,由它对计数器进行减“1”计数,定时时间从写入计数值开始,到计数值计到“0”为止,这时OUTi输出正跳变,表示定时时间到。
有一点需要说明,任一通道工作在方式0情况下,计数器初值一次有效,经过一次计数或定时后如果需要继续完成计数或定时功能,必须重新写入计数器的初值。
2.方式1:
单脉冲发生器
工作方式1被称作可编程单脉冲发生器。
进入这种工作方式,CPU装入计数值n后OUTi输出高电平,不管此时的GATE输入是高电平还是低电平,都不开始减“1”计数,必须等到GATE由低电平向高电平跳变形成一个上升沿后,计数过程才会开始。
与此同时,OUTi输出由高电平向低电平跳变,形成了输出单脉冲的前沿,待计数值计到“0”,OUTi输出由低电平向高电平跳变,形成输出单脉冲的后沿,因此,由方式l所能输出单脉冲的宽度为CLKi周期的n倍。
如果在减“1”计数过程中,GATE由高电平跳变为低电乎,这并不影响计数过程,仍继续计数;但若重新遇到GATE的上升沿,则从初值开始重新计数,其效果会使输出的单脉冲加宽,如教材图9-22(b)中的第2个单脉冲。
这种工作方式下,计数值也是一次有效,每输入一次计数值,只产生一个负极性单脉冲。
3.方式2:
速率波发生器
工作方式2被称作速率波发生器。
进入这种工作方式,OUTi输出高电平,装入计数值n后如果GATE为高电平,则立即开始计数,OUTi保持为高电平不变;待计数值减到“1”和“0”之间,OUTi将输出宽度为一个CLKi周期的负脉冲,计数值为“0”时,自动重新装入计数初值n,实现循环计数,OUTi将输出一定频率的负脉冲序列,其脉冲宽度固定为一个CLKi周期,重复周期为CLKi周期的n倍。
如果在减“1”计数过程中,GATE变为无效(输入0电平),则暂停减“1”计数,待GATE恢复有效后,从初值n开始重新计数。
这样会改变输出脉冲的速率。
如果在操作过程中要求改变输出脉冲的速率,CPU可在任何时候,重新写人新的计数值,它不会影响正在进行的减“1”计数过程,而是从下一个计数操作用期开始按新的计数值改变输出脉冲的速率。
4.方式3:
方波发生器
工作方式3被称作方波发生器。
任一通道工作在方式3,只在计数值n为偶数,则可输出重复周期为n、占空比为1:
1的方波。
进入工作方式3,OUTi输出低电平,装入计数值后,OUTi立即跳变为高电平。
如果当GATE为高电平,则立即开始减“1”计数,OUTi保持为高电平,若n为偶数,则当计数值减到n/2时,OUTi跳变为低电平,一直保持到计数值为“0”,系统才自动重新置入计数值n,实现循环计数。
这时OUTi端输出的周期为n×CLKi周期,占空比为1:
1的方波序列;若n为奇数,则OUTi端输出周期为n×CLKi周期,占空比为((n+1)/2)/((n-1)/2)的近似方波序列。
如果在操作过程中,GATE变为无效,则暂停减“1”计数过程,直到GATE再次有效,重新从初值n开始减“l”计数。
如果要求改变输出方波的速率,则CPU可在任何时候重新装入新的计数初值n,并从下一个计数操作周期开始改变输出方波的速率。
5.方式4:
软件触发方式计数
工作方式4被称作软件触发方式。
进入工作方式4,OUTi输出高电平。
装入计数值n后,如果GATE为高电平,则立即开始减“1”计数,直到计数值减到“0”为止,OUTi输出宽度为一个CLKi周期的负脉冲。
由软件装入的计数值只有一次有效,如果要继续操作,必须重新置入计数初值n。
如果在操作的过程中,GATE变为无效,则停止减“1”计数,到GATE再次有效时,重新从初值开始减“1”计数。
显然,利用这种工作方式可以完成定时功能,定时时间从装入计数值n开始,则OUTi输出负脉冲(表示定时时间到),其定时时间=n×CLK周期。
这种工作方式也可完成计数功能,它要求计数的事件以脉冲的方式从CLKi输入,将计数次数作为计数初值装入后,由CLKi端输入的计数脉冲进行减“1”计数,直到计数值为“0”,由OUTt端输出负脉冲(表示计数次数到)。
当然也可利用OUTj向CFU发出中断请求。
因此工作方式4与工作方式0很相似,只是方式0在OUTi端输出正阶跃信号、方式4在OUTi端输出负脉冲信号。
6.方式5:
硬件触发方式计数
工作方式5被称为硬件触发方式。
进入工作方式5,OUTi输出高电平, 硬件触发信号由GATE端引入。
因此,开始时GATE应输入为0,装入计数初值n后,减“1”计数并不工作,一定要等到硬件触发信号由GATE端引入一个正阶跃信号,减“1”计数才会开始,待计数值计到“0”,OUTi将输出负脉冲,其宽度固定为一个CLKi周期,表示定时时间到或计数次数到。
这种工作方式下,当计数值计到“0”后,系统将自动重新装入计数值n,但并不开始计数,一定要等到由GATE端引入的正跳沿,才会开始进行减“1”计数,因此这是一种完全由GATE端引入的触发信号控制下的计数或定时功能。
如果由CLKi输入的是一定频率的时钟脉冲,那么可完成定时功能,定时时间从GATE上升沿开始,到OUTi端输出负脉冲结束。
如果从CLKi端输入的是要求计数的事件,则可完成计数功能,计数过程从GATE上升沿开始,到OUTi输出负脉冲结束。
GATE可由外部电路或控制现场产生,故硬件触发方式由此而得名。
如果需要改变计数初值,CPU可在任何时候用输出指令装入新的计数初值m,它将不影响正在进行的操作过程,而是到下一个计数操作周期才会按新的计数值进行操作。
从上述各工作方式可看出,GATE作为各通道的门控信号,对于各种不同的工作方式,它所起的作用各不相同。
在8253的应用中,必须正确使用GATE信号,才能保证各通道的正常操作。
(2)8254芯片的工作方式
8254芯片共有六种工作方式,分别对应与六种不同的用途。
(1)方式0:
计数到0结束输出正跃变信号方式。
(2)方式1:
硬件可重触发单稳方式。
(3)方式2:
频率发生器方式。
(4)方式3:
方波发生器。
(5)方式4:
软件触发选通方式。
(6)方式5:
硬件触发选通方式。
(3)8255芯片的工作方式
3种工作方式可用软件编程对控制口设置来指定。
三种基本的工作方式为:
方式0-基本的输入输出,方式1-选通输入输出方式,方式2-双向传送方式。
1)工作方式0(基本输入输出方式)
功能:
方式0不使用联络信号,也不使用中断,A口和B口可定义为输入或输出口,C口分成两个部分(高四位和低四位),C口的两个部分也可分别定义为输入或输出。
在方式0,所有口输出均有锁存,输入只有缓冲,无锁存,C口还具有按位将其各位清0或置1的功能。
常用于与外设无条件的数据传送或接收外设的数据。
2)工作方式1(选通输入输出方式)
A口借用C口的一些信号线用作控制和状态信号,组成A组,B口借用C口的一些信号线用作控制和状态信号,组成B组。
在方式1下,C口的某些位被占用。
方式1的输出:
当A口工作于方式1且用作输出口时,C口的PC7线用作输出缓冲器满OBF信号,PC6用作外设
B口输出
收到数据后的响应信号ACK,PC3用作中断请求输出信号线INTR。
当B口工作于方式l且用作输出口时,C口的PC1线用作输出缓冲器满OBF信号,PC2用作外设收到数据后的响应信号ACK,PC0用作中断请求输出信号线INTR。
3)工作方式2(双向输入输出方式)
功能:
方式2是A组独有的工作方式。
外设既能在A口的8条引线上发送数据,又能接收数据。
此方式也是借用C口的5条信号线作控制和状态线,A口的输入和输出均带有锁存。
(三)8253/8254和8255芯片的工作原理
(1)8253芯片的工作原理
1.数据总线缓冲器
数据总线缓冲器与系统总线连接,8位双向,与CPU交换信息的通道。
这是8253与CPU之间的数据接口,它由8位双向三态缓冲存储器构成,是CPU与8253之间交换信息的必经之路。
2.读/写控制
读/写控制分别连接系统的IOR#和IOW#,由CPU控制着访问8253的内部通道。
接收CPU送入的读/写控制信号,并完成对芯片内部各功能部件的控制功能,因此,它实际上是8253芯片内部的控制器。
A1A0:
端口选择信号,由CPU输入。
8253内部有3个独立的通道,加上控制字寄存器,构成8253芯片的4个端口,CPU可对3个通道进行读/写操作3对控制字寄存器进行写操作。
这4个端口地址由最低2位地址码A1和A0来选择。
如表所示。
3.通道选择
(1)CS#——片选信号,由CPU输入,低电平有效,通常由端口地址的高位地址译码形成。
(2)RD#、WR#——读/写控制命令,由CPU输入,低电平有效。
RD#效时,CPU读取由A1A0所选定的通道内计数器的内容。
WR#有效时,CPU将计数值写入各个通道的计数器中,或者是将方式控制字写入控制字寄存器中。
CPU对8253的读/写操作。
4.计数通道0~2
每个计数通道内含1个16位的初值寄存器、减1计数器和1个16位的(输出)锁存器。
8253内部包含3个功能完全相同的通道,每个通道内部设有一个16位计数器,可进行二进制或十进制(BCD码)计数。
采用二进制计数时,写入的初值范围为0000H~0FFFFH,最大计数值是0000H,代表65536。
采用BCD码计数时,写入的初值范围为0000~9999,最大计数值是0000,代表10000。
与此计数器相对应,每个通道内设有一个16位计数值锁存器。
必要时可用来锁存计数值。
(特别说明:
8253计数器的值先减1再判断是否为0,为0就中断了,所以最大初始值为0,这样减1以后,不为0,所以为最大的,取决于CF标志位)
当某通道用作计数器时,应将要求计数的次数预置到该通道的计数器中、被计数的事件应以脉冲方式从CLK端输入,每输入一个计数脉冲,计数器内容减“1”,待计数值计到“0”。
OUT端将有输出。
表示计数次数到。
当某个通道用作定时器时。
由CLK输入一定频率的时钟脉冲。
根据要求定时的时间长短确定所需的计数值。
并预置到计数器中,每输入一个时钟脉冲,计数器内容减“1”,待计数值计到“0”。
OUT将有输出,表示定时时间到。
允许从CLK输入的时钟频在1~2MHz范围内。
因此,任一通道作计数器用或作定时器用,其内部操作完全相同,区别仅在于前者是由计数脉冲进行减“1”计数。
而后者是内时钟脉冲进行减“1”计数。
作计数器时,要求计数的次数可直接作为计数器的初值预置到减“1”计数器中。
作定时器时,计数器的初值即定时系数应根据要求定时的时间进行如下运算才能得到:
定时系数=需要定时的时间/时钟脉冲周期
①设置通道:
向方式控制字寄存器端口写入方式选择控制字,用于确定要设置的通道及工作方式;
②计数/定时:
向通道写入计数值,启动计数操作;
③读取当前的计数值:
向指定通道读取当前计数器值时,8253将计数器值存入锁存器,从锁存器向外提供当前的计数器值,计数器则继续作计数操作。
④计数到:
当计数器减1为0时,通过引脚OUTi向外输出“到”的脉冲信号。
计数初值输入存放在初值寄存器中,计数开始或重装入时被复制到计数器中。
锁存器在非锁存状态,其值随计数器的变化而变化;一旦锁存了计数器的当前值,直到锁存器值被读取后才能解除锁存状态。
5.方式选择控制字
8253的初始化编程就是对其工作方式的确定。
具体实现就是在8253上电后,由CPU向8253的控制寄存器写入一个控制字,就可以规定8253的工作方式、计数值的长度以及计数所用的数制等,另外根据要求将计数值写入8253的相应通道。
8253的一个方式控制字只决定一个技术通道的工作模式。
(2)8254芯片的工作原理
芯片是一种集成电路,由大量的晶体管构成。
不同的芯片有不同的集成规模,大到几亿;小到几十、几百个晶体管。
晶体管有两种状态,开和关,用1、0来表示。
多个晶体管产生的多个1与0的信号,这些信号被设定成特定的功能(即指令和数据),来表示或处理字母、数字、颜色和图形等。
芯片加电以后,首先产生一个启动指令,来启动芯片,以后就不断接受新指令和数据,来完成功能。
(3)8255芯片的工作原理
1.数据端口
8255A内部包含3个8位I/O端口A口、B口和C口,通过外部24根I/O线与外设交换数据或进行通信联络。
其中C口可分为两个4位口使用。
端口A和端口B可用作8位数据I/O口,端口C既可作为8位I/O口,又可作为两个4位I/O口,还常用来配合A口和B口工作,作为控制信号输出、或作为状态信号输入。
2.控制逻辑
这是两组根据CPU的编程命令控制8255A工作的电路,控制寄存器用来接收CPU送来的命令字,以决定A组、B组的工作方式,或对C口的每一个位执行位操作。
3.数据总线缓冲器
是双向三态的8位缓冲器,用作8255A和系统数据总线的接口。
1)传送系统对8255A的控制字;2)传送各端口的输入、输出数据。
4.读/写控制逻辑
控制总线的开放与关闭;控制信息传送的路径和方向。
六:
实验总结:
通过对8253/8254和8255芯片的基本功能结构、工作方式及其工作原理的总结和分析,我更加熟悉了他们的基本功能结构、工作方式及其工作原理,了解了他们在实际生活中的应用,并且对芯片的了解更加深入、全面!
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